芽孢

逆境与抗逆有如进攻与防守
芽孢抗逆机制的探讨
• • • • 1芽孢的抗热机理 2芽孢的抗化学侵蚀机理 3芽孢的抗辐射机理 4芽孢的抗高压机理
芽孢抗热的机理
• 渗透调节皮层膨胀学说
– 芽孢外被
– 钙 (与吡啶二羧酸结合) – 含水量很低的芽孢核心
• 其它机制
– 酸溶性DNA结合蛋白（芽孢小蛋白）
– DNA 修复酶
总结
• 芽孢的形成是一个复杂的，高度协调的过 程，同时当营养物质和水分缺乏时，使发 展中的孢子能够生存。孢子形成有一个良 好特征的过程。孢子的代谢不活跃，这样 就使微生物在极端的环境条件下，可以生 存很长一段时间。产孢后，成熟的孢子形 成一个结构良好的多层形态具有很多机制 来承受多种环境压力，如辐射，热，干燥， 极端pH值，和有毒的化学物质。
• 四种因子按次序逐个在两个不同区室中活 化。 • 首先为芽孢前体中的σF,，然后为母细胞中 的σE,最后分别是前体中的σG 和母细胞中的 σK。 • 为保证芽孢形成过程中形态变化的正确次 序，每个细胞因子都有转录水平和翻译后 水平的调节。这种调节机制还包括在两种 细胞间的细胞信号通路调节等。
RNA Dynamics in Aging Bacterial Spores 休眠中细菌芽孢RNA的变 化（动力学）
芽孢萌发
• 芽孢向营养态细 菌的转变 • 复杂的多级反应 过程
• 芽孢杆菌休眠孢子的萌发是孢子恢复到营 养生长的第一个决定性步骤。 • 孢子被营养性萌发剂和 各种非营养信号诱 导而萌发恢复到营养细胞状态。 • 芽孢萌发后就丧失了对外界胁迫的抵抗力
Germination
• When environmental conditions become favorable again, the dormant spore returns to its vegetative state • Spore needs to be stimulated (activated) by an environmental stressor before germination begins • Bacteria cell resumes metabolic activity and spore coat ruptures
• • • • •
内膜的主要成分于细胞膜几乎相同 磷脂酰甘油，磷脂 膜蛋白与营养细胞所含蛋白不同 膜流动性与营养细胞不同 （推测内膜被压缩1.3和1.6 倍）
• • • •
孢子芯包含了 孢子的ＤＮＡ和ＲＮＡ， 核糖体和大部分的酶。 核心还包含高水平的（约5-15％的核心干重） 小分子DPA，与二价阳离子，主要是钙离子 作为1：1的螯合物存在。
Present
Low Low Low Sensitive Sensitive
Absent
High High High Resistant Resistant
结构决定性质！
• 孢子的结构和化学成分与营养细胞的差别 很大。也是因为有着这样巨大的结构差别， 才表现出了芽孢超强的抗逆性。
Spores Structure
梭状芽孢杆菌属
芽孢八叠球菌属
第零阶段：营养细胞的生长
芽 孢 形 成 阶 段
第一/二阶段：细胞不均等分裂 第三阶段：吞入 第四阶段：皮层形成 第五阶段：芽孢衣形成和成 熟 第六阶段：释放芽孢 第七阶段：成熟的芽孢
细菌在什么情况下产生芽孢
芽孢形成的分子机制
• 芽孢形成过程中的关键角色： • Spo0A， σH • σF、σE、σG和σK
萌发过程的关键角色及其相互作用
繁殖的概念
生命个体生长到一定阶段，通过特定方 式产生新的生命个体，即引起生命个体数 量增加的生物学过程。
Bacterial Cell
Spore
Bacterial Cell
What do you think?
• bacterial spores are able to resist such harsh conditions, how do we destroy them?
能产芽孢的 菌株
不能产芽孢 的菌株
显然芽孢在恶劣的条件下
能起到对菌体的
保护作用
芽孢
概念：某些细菌生长到一 定阶段或在一定环境条件 下，细胞的正常生长和分 裂停止，细胞内细胞质浓 缩，逐步行成一个圆形、 椭圆形或圆柱形的，对不 良环境有较强抵抗力的特 殊结构，称为芽胞。芽胞 成熟后可自行从芽胞囊中 释放出来。因芽胞的形成 都是在细胞内，故又称内 生孢子。
• 外衣主要由：
• 蛋白质（外衣的蛋白质部分占孢子总蛋白 量的50-80％） • 也包含非常少量的大约6％的碳水化合物。 最有可能，是因为两个低分子量外衣约8-9 kDa多肽的糖基化造成的。
• 外膜：
• 通过实验证实在芽孢外壁与皮层之间有膜 的存在。
• 孢子皮质及核心细胞壁组成成分：
• 肽聚糖组成，而且与营养细胞的肽聚糖大 致相似，具有一些显着的孢子的特殊修饰， 特别是完全和含有孢子肽聚糖中的N-乙酰胞 酸（NAM）残基中的磷壁酸。
通过对概念分析得出以下问题
• • • • • 1那些细菌能产生芽孢？ 2细菌在什么情况下产芽孢？ 3细菌如何产生芽孢（芽孢产生的过程）？ 4芽孢是一个什么样的结构？ 5芽孢为什么有如此强的抗逆性？
在杆菌中能形成芽孢的种类较多，在 球菌和螺旋菌中只有少数菌种可形成 芽孢。 产生芽孢的几个属： 芽孢杆菌属
Table. Differences between endospores and vegetative cells
Property Surface coats Microscopic appearance Calcium dipicolinic acid Cytoplasmic water activity Enzymatic activity Macromolecular synthesis Heat resistance Resistance to chemicals and acids Radiation resistance Sensitivity to lysozyme Sensitivity to dyes and staining Vegetative cells Typical Gram-positive murein cell wall polymer Nonrefractile Absent High Present Endospores Thick spore coat, cortex, and peptidoglycan core wall Refractile Present in core Very low Absent
• 起始信号：贫瘠环境或氧分子等 • Spo0A 发生磷酸化而活化 • 启动菌体分裂为不对称的两个细胞。
芽 孢 生 成 过 程
细菌芽孢化的起始 （Spo0A的调节）
基因的区室化表达 （ σ 因子）
• 芽孢形成过程中伴随着形态上的变化，这 种变化是由于两个细胞中一系列基因的不 同表达所致，而这些基因的表达最终是由 活化了的四种芽孢特异性σ因子。
芽孢的结构
芽 孢 壁 芽 孢 核
芽 孢 衣
芽 孢 外 膜
芽 孢 皮 层
芽 孢 细 胞 壁
芽 孢 内 膜
芽孢wenku.baidu.com构的化学成分
• • • • • 外壁主要成分为 蛋白质（43-52％干重） 脂质（干重的15-18％） 碳水化合物（20-22％干重） 灰分（约4％）其中包括钙和镁，以及一些 未确定的组分。
主讲人：王珍婷
韩昊霖
用曲颈瓶实验推翻了“自然发生说”
煮沸的枯草浸出液 依然会产生生物
最有“弹性”的 细胞形态。—— 芽孢
究竟什么是芽孢
• 某些细菌在其生长发育后期，在细胞内形 成的一个圆形或椭圆形，厚壁，含水量低， 抗逆性强的休眠体构造，称为芽胞（沈萍， 微生物学）
芽孢:
不同菌株在恶劣的环境条件下能否产生芽孢会表现 出不同的抗逆性
基 本 部 分
芽孢的基本认识
芽孢的结构
芽孢的功能（性质）
动 态 部 分
芽孢的生成过程
芽孢的萌发（性质）
研 究 芽 孢 的 意 义
芽孢在菌种鉴别的意义
芽孢形成过程产生伴孢 晶体的应用 芽孢在杀菌中的影 响（性质）
• Spore Core – contains DNA and cytoplasm • Core Membrane – similar to cell membrane • Cortex – thickest spore layer, made of loose peptidoglycan • Inner/Outer Membranes (Spore Coat) – made of protein, impermeable, protects spore from chemicals • Exosporium Basal Layer – made of glycoprotein and lipoproteins
两 种 不 同 的 思 路
直接杀死孢子
通过诱导芽孢萌发，然 后再将其杀死
假如你是巴斯德你怎么办？
1、分类鉴定 2、保存菌种 3、分离菌种
4、生物杀虫
5、灭菌标准
目前研究芽孢的应用
首先为杀灭芽孢提供科学的方法与依据。
生物农药——Bt
• 生物杀虫 有些芽孢细菌在产生芽孢的同时， 可以产生一种双锥形的结晶内含物，称为 伴孢晶体，这是一种蛋白质毒素，可以杀 死某些昆虫（特别是鳞翅目）的幼虫。蛋 白质晶体的毒性是有高度专性的，对其他 动物与植物完全没有毒性。因此，它们便 成为一种理想的生物杀虫剂，这种杀虫剂 的生产，并不需将蛋白质分离出来，只需 培养大量细菌，在其形成芽孢并产生晶体 时收获、干燥，做成粉剂即可。
芽孢如何感知到外界环境适合萌发？
萌发剂
• 分为营养型萌发剂和非营养型萌发剂 • 营养型萌发剂：包括单氨基酸、糖类、嘌 呤核苷等，也有一些化学混合物也可以触 发芽孢的萌发，如用 天门冬氨酸、葡萄糖、 果糖和氯化钾配成的混合剂。。 • 非营养型萌发剂：孢子在其他因子，如溶 菌酶、盐、高压、2,6 吡啶二羧酸钙(Ca2+DPA)以 及阳离子表面活性剂，如十二烷胺 等作用下也会触 发其萌发